Прорывное измерение
Понимая, что в связи с нарушением цепочек поставок готовой продукции и запчастей российские предприятия обратили самое пристальное внимание на технологии 3D-печати, редакция «Энерговектора» готовит обзор новинок в этой сфере. Пока этот обзор не написан и не опубликован, предлагаем читателям ликбез пятилетней давности.
3D-печать, ещё недавно казавшаяся чем-то из области фантастики, становится такой же привычной, как диски Blu-ray или двухметровые вогнутые OLED-телевизоры. На 3D-принтерах «печатают» всё что угодно, от тортов до запчастей к самолетам. Некоторые обозреватели считают, что подобные технологии позволят с помощью «живых чернил» создавать человеческие органы для трансплантации. Не последнюю роль 3D-печать может сыграть и в энергетическом машиностроении при сверхточном изготовлении деталей сложной конфигурации, например, лопаток газовых турбин.
Мы недаром слово «печать» заключили в кавычки. Фактически 3D-принтер, работающий по принципу экструзионного наращивания (наиболее популярному сегодня), - вовсе не принтер, правильнее назвать его 3D-плоттером (вероятно, термин «3D-принтер» возник потому, что к моменту его появления все уже забыли о таком когда-то существовавшем классе периферийных устройств, как плоттеры, или графопостроители). Как и плоттер, он по командам языка описания модели, перемещая головку по двум координатам, «рисует» каждый двумерный слой, а после того, как очередной слой готов, стол с моделью или головка перемещается на небольшой шаг по вертикали ‑ и начинается рисование следующего слоя.
Немного истории
Технологию создания трёхмерных объектов по их цифровым описаниям разработал в 1983 г. американец Чак Халл. Он назвал технологию стереолитографией и в 1986 г. получил на неё патент. В 1989 г. Чак основал компанию 3D Systems и по сей день остаётся одним из её руководителей.
В конце 1980-х появились технологии экструзионного наращивания и селективного лазерного спекания. Первая из них сейчас применяется практически во всех 3D-принтерах персонального класса, вторая - в основном в промышленных установках.
В 1993 г. Массачусетский технологический институт запатентовал технологию, названную 3 Dimensional Printing (3DP), похожую на струйную печать в обычных двумерных принтерах.
В 1996 г. были выпущены три устройства, определившие дальнейшие направления развития 3D-печати: Genisys компании Stratasys, Actua 2100 компании 3D Systems и Z402 фирмы Z Corporation.
В 2005 г. Z Corporation выпустила первый цветной 3D-принтер высокого разрешения Spectrum Z510.
Ещё одной вехой в истории 3D-печати стал запуск в 2006 г. открытого проекта RepRap (Replicating Rapid Prototyper - самовоспроизводящееся устройство быстрого прототипирования), целью которого было создание 3D-принтера, способного изготовить большинство деталей для воспроизведения самого себя.
Варианты классификации
Технологии трёхмерной печати можно классифицировать по разным признакам, например, по виду исходных материалов (жидкий фотополимер, пластмассовый пруток, порошок, листы), по способу отверждения (свет, тепло, электрический ток, склеивание, давление, вибрация), по применяемым техническим средствам (источник света, лазер, электронный луч, микроволновое излучение, ролик) и т. д.
Комбинируя эти способы и средства, конструкторы предложили довольно большое разнообразие конкретных технологий 3D-печати, из которых мы рассмотрим наиболее популярные.
Отверждение, спекание, склеивание
Стереолитография (Stereo Lithography, SL). Принцип действия первого устройства быстрого прототипирования, созданного Чаком Халлом, заключался в послойном отверждении жидкого фотополимера лучом ультрафиолетового света. Платформа с моделью постепенно, с шагом около 0,2 мм, опускалась в ванне с фотополимером, а ультрафиолетовая головка, перемещаясь под управлением компьютера, засвечивала нужные участки каждого слоя, которые практически мгновенно твердели, полимеризуясь. В конце процесса твёрдая модель выходила из жидкости, как Афродита из морских волн. После печати таким методом требуется постобработка объекта - удаление лишнего материала и поддерживающих элементов, иногда шлифовка. В некоторых случаях необходимо запекание готовой модели в так называемой ультрафиолетовой духовке. Преимущества: скорость и точность (толщина слоя - до 10 мкм). Для отверждения фотополимера достаточно лазера от проигрывателя Blu-ray, благодаря чему на рынке появляются дешёвые и при этом точные принтеры, работающие по такой технологии. К недостаткам можно отнести токсичность фотополимеров - при работе с ними нужно пользоваться средствами защиты.
Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS). Технология основана на том же принципе, что и SL, но вместо жидкого фотополимера здесь используется порошок. Для формирования очередного слоя на верхнюю поверхность модели наносится тонкий слой порошка, который затем в нужных местах спекается лазером. Преимущества: меньше вероятность повреждения детали в процессе печати, так как порошок выполняет функцию поддерживающего элемента; широкий выбор материалов в порошковой форме, как металлических (например, бронза, сталь, титан), так и неметаллических (различные пластмассы). Недостатки: поверхность получается пористая; некоторые порошки взрывоопасны, поэтому должны храниться в камерах, заполненных азотом; спекание происходит при высоких температурах, поэтому готовые детали долго остывают (до суток).
изготавливать детали из вольфрама
Three Dimensional Printing (3DP). На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх проклеенного слоя наносится свежий слой порошка и так далее. На выходе, как правило, получается материал, по свойствам похожий на гипс. Преимущества: так как используется клей, в него можно добавить краску и таким образом печатать цветные объекты; технология относительна дешёвая и энергоэффективная; её можно использовать дома или в офисе; в качестве исходного материала можно применять стеклянный порошок, костный порошок, переработанную резину, бронзу и даже древесные опилки. C помощью этой технологии можно печатать съедобные объекты, например, из сахарной пудры или шоколадного порошка, используя для склеивания специальный пищевой клей, в который могут добавляться красители и ароматизаторы. Недостатки: у деталей на выходе получается довольно грубая поверхность (разрешение не превышает 0,1 мм); готовую модель необходимо подвергать постобработке (запекать), чтобы придать полученному материалу нужные свойства.
Выдавливание (выдувание) через головку
Экструзионное наращивание (Fused Deposition Modeling, FDM). Именно эта технология реализована практически во всех выпускаемых сейчас 3D-принтерах персонального класса. Они плавят подаваемый из рулона пруток какого-либо термопластичного материала (обычно пластика типа ABS или PLA) и послойно «рисуют» модель выходящей из калиброванного сопла нитью, быстро застывающей при охлаждении. К этой же категории (несмотря на то, что исходный материал не плавится) можно отнести кулинарные принтеры, в качестве исходного материала использующие глазурь, сыр, тесто и т. п., и медицинские, печатающие «живыми чернилами» (когда живая клеточная культура помещается в специальный медицинский гель).
Технология Polyjet, изобретённая израильской компанией Objet в 2000 г., предполагает «выстреливание» малых доз фотополимера из тонких сопел, как при струйной печати, и его полимеризацию на поверхности модели под воздействием УФ-излучения. К достоинствам этой технологии относятся высокие точность (толщина слоя - до 16 мкм) и скорость, к недостаткам - необходимость использования дорогого, токсичного и (после затвердевания) обычно довольно хрупкого фотополимера.
Лазерное формование (Laser Engineered Net Shaping, LENS). Материал в виде порошка выдувается из сопла и спекается сфокусированным лучом лазера. Слой за слоем формируется трёхмерная деталь. Именно по такой технологии печатают стальные и титановые объекты, и именно она открыла для 3D-печати двери в «большую» промышленность. Порошки различных материалов можно смешивать, получая сплавы с нужными свойствами прямо в процессе печати.
Ламинирование
По технологии LOM (Laminated Object Manufacturing) тонкие листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера по контурам каждого слоя, а затем спекаются или склеиваются в трёхмерный объект. Так создаются 3D-модели из бумаги, пластика или алюминия. В последнем случае используется тонкая алюминиевая фольга, слои которой соединяют с помощью ультразвука.
О перспективах применения 3D-печати в промышленности читайте, щёлкнув мышью здесь.
Читайте другие наши материалы
